Nghiên cứu điều chế nano fe3o4 từ dung dịch fe(no3)3 bằng dịch chiết lá bàng và ứng dụng xúc tác cho phản ứng quang phân hủy xanh metylen và alizarin red

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

---------------

TRẦN THỊ BÔNG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ NANO Fe3O4 TỪ

DUNG DỊCH Fe(NO3)3 BẰNG DỊCH CHIẾT LÁ BÀNG

VÀ ỨNG DỤNG XÚC TÁC CHO PHẢN ỨNG

QUANG PHÂN HỦY XANH METYLEN

VÀ ALIZARIN RED

Chuyên ngành: HÓA HỮU CƠ

Mã số: 84 40 114

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÓA HỌC

ĐÀ NẴNG – NĂM 2018

Công trình được hoàn thành tại

Trường Đại học Sư Phạm – ĐHĐN

Người hướng dẫn khoa học:

TS. Vũ Thị Duyên

Phản biện 1:

TS. Huỳnh Thị Kim Cúc

Phản biện 2:

TS. Bùi Xuân Vững

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận

văn tốt nghiệp Thạc sĩ Hóa học họp tại Trường Đại học Sư

Phạm – ĐHĐN vào ngày 6 tháng 10 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- – Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng

– Thư viện trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng

1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Công nghệ nano là một bước tiến bộ vượt bậc trong lịch sử

khoa học của nhân loại. Công nghệ tiên tiến này đã góp phần mở ra

những cơ hội mới thúc đẩy sự phát triển của nhiều lĩnh vực khác

nhau trong đời sống từ y học, hóa học, bảo vệ môi trường đến sự

phát triển về kinh tế và xa hơn là nâng cao chất lượng cuộc sống con

người. Tuy nhiên, chính bởi khả năng ứng dụng phong phú của

mình, công nghệ nano cũng đặt ra những thách thức lớn về khả năng

phát triển vũ khí loại mới với sức tàn phá kinh hoàng. Chính vì lẽ đó,

việc nghiên cứu và sử dụng đúng đắn những ứng dụng của công nghệ

nano để phục vụ những mục đích cao đẹp cho cuộc sống con người

là điều hết sức cần thiết.

Các phương pháp chế tạo vật liệu nói chung và hạt nano nói

riêng rất phong phú và đa dạng. Mỗi cách tổng hợp đều có ưu, nhược

điểm khác nhau. Tùy mục đích sử dụng loại vật liệu nano nào mà

người ta có thể chọn cách tổng hợp thích hợp và có hiệu quả cao.

Ngày nay người ta quan tâm nhiều đến ngành hóa học xanh ( hay còn

gọi là hóa học bền vững) trong đó có phương pháp hóa học xanh, tức

là dung dung dịch chiết thực vật. Phương pháp hóa học xanh thực

mang lại những ưu điểm như giảm thiểu hoặc loại bỏ phát sinh và sử

dụng chất nguy hiểm độc hại, tạo ra sản phẩm bền hơn, ít độc hại

hơn và hoàn toàn có khả năng tái chế,…

Xúc tác xanh không chỉ thay thế một phần chất tham gia

phản ứng hoặc làm cho quá trình diễn ra hiệu quả hơn mà còn giảm

tác động xấu đến môi trường và giảm chi phí cho các quá trình sản

xuất hóa chất.

2

Một số ví dụ về các loại hạt nano được tổng hợp bằng

phương pháp hóa học xanh và ứng dụng của nó như: Hạt nano SiO2

được tổng hợp từ trro vỏ trấu ứng dụng trong xử lý nước thải; Hạt

nano oxit sắt từ bọc SiO2 ứng dụng trong y học để chuấn đoán sớm

bệnh viêm gan siêu vi C và ung thư thời kỳ đầu; Tổng hợp hạt nano

Fe3O4 từ dịch chiết rong nâu….

Cũng như công nghệ nano, ngày nay với sự phát triển về mọi

mặt đã tạo ra nhiều sản phẩm đáp ứng nhu cầu con người đặc biệt là

trong lĩnh vực công nghiệp. trong các ngành công nghiệp thuốc

nhuộm được sử dụng rộng rãi cho các sản phẩm thiết yếu như may

mặc, cao su, giấy, mỹ phẩm, y tế,… Thuốc nhuộm được sử dụng đa

số có tính tan cao là tác nhân gây ô nhiễm và hậu quả là tổn hại dến

con người, các sinh vật sống. Hiện nay có nhiều phương pháp xử lý

thuốc nhuộm chủ yếu là phương pháp hóa học, trong đó sử dụng vật

liệu nano làm xúc tác cho các quá trình phản ứng, hay phương pháp

hấp phụ ngày càng được sử dụng rộng rãi.

Như vậy, để tìm hiểu rõ hơn về vật liệu nano nói chung và

vật liệu nano Fe3O4 cũng như vai trò nano Fe3O4 trong bảo vệ môi

trường nói riêng, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu điều chế nano Fe3O4

từ dung dịch Fe(NO3)3 bằng dịch chiết lá bàng và ứng dụng xúc

tác cho phản ứng quang phân hủy Xanh metylen và Alizarin Red”.

2. Mục tiêu nghiên cứu

- Xây dựng quy trình tổng hợp nano Fe3O4 từ dung dịch

Fe(NO3)3 và dịch chiết lá bàng.

- Ứng dụng nano Fe3O4 xúc tác cho phản ứng quang phân

hủy Xanh metylen và Alizarin Red.

3

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Hạt nano Fe3O4 từ dung dịch Fe(NO3)3 và dịch chiết lá bàng

4. Phƣơng pháp nghiên cứu

4.1. Nghiên cứu lý thuyết

- Thu thập, phân tích các tài liệu về nano, tính chất và

phương pháp điều chế vật liệu nano; Phương pháp hóa học xanh

điều chế hạt nano.

- Tìm hiểu thông tin về phản ứng quang phân hủy Xanh

metylen và Alizarin Red: cơ chế, phương pháp nghiên cứu.

4.2. Nghiên cứu thực nghiệm

- Thu thập nguyên liệu

- Xử lý mẫu

- Phương pháp chiết tách: phương pháp chưng ninh sử dụng

dung môi là nước.

- Phương pháp xác định các thông số hóa lý của lá bàng

- Phương pháp phân tích công cụ: phương pháp quang phổ

hấp thụ phân tử (UV-VIS).

- Phương pháp đo hiển vi điện tử quét (SEM); Hiển vi điện

tử truyền qua (TEM); Phương pháp nhiễu xạ tia X ( XRD); Phổ hồng

ngoại chuyển hóa Fourie (FTIR).

- Phương pháp khảo sát khả năng xúc tác của hạt nano oxit

sắt từ trong phản ứng quang phân hủy Xanhmetylen và Alizarin red.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Nghiên cứu này giúp cho chúng ta hiểu biết rõ hơn về

phương pháp điều chế hạt nano oxit sắt từ bằng phương pháp hóa

học xanh, an toàn, ít tốn kém.

4

- Tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có rất nhiều ở nước ta là

lá bàng để tổng hợp hạt nano Fe3O4 và ứng dụng làm xúc tác cho

phản ứng quang phân hủy Xanh metylen và Alizarin Red.

6. Bố cục luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, nội dung luận văn

được chia thành 3 chương:

Chương 1 - Tổng quan

Chương 2 - Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 - Kết quả và thảo luận

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1. GIỚI THIỆU VỀ NANO

1.1.1. Khái niệm và nguồn gốc của công nghệ nano

1.1.2. Ứng dụng của công nghệ nano

1.2. HẠT NANO OXIT SẮT TỪ

1.2.1. Giới thiệu về oxit sắt từ

1.2.2. Tính chất của các hạt nano oxit sắt từ

1.2.3. Một số phƣơng pháp chế tạo hạt nano oxit sắt từ

1.2.4. Một số ứng dụng của hạt nano oxit sắt từ

1.3. TỔNG QUAN VỀ CÂY BÀNG

1.3.1. Giới thiệu về cây bàng

1.3.2. Thành phần hóa học của lá bàng

1.3.3. Tác dụng dƣợc lý – Công dụng

1.4. TỔNG QUAN VỀ HỢP CHẤT MÀU

1.4.1. Sơ lƣợc về hợp chất màu

1.4.2. Sơ lƣợc về Xanh metylen

5

1.4.3. Sơ lƣợc về Alizarin red

1.5. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NANO OXIT SẮT TỪ

TRONG NƢỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI

1.5.1. Trong nƣớc

1.5.2. Trên thế giới

CHƢƠNG 2

NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. NGUYÊN LIỆU, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT

2.1.1. Nguyên liệu

2.1.2. Dụng cụ và hóa chất

2.2. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ HÓA LÝ

2.2.1. Xác định độ ẩm

2.2.2. Xác định hàm lƣợng tro

2.3. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ

TRÌNH CHIẾT LÁ BÀNG

2.3.1. Khảo sát thời gian chiết

2.3.2. Khảo sát tỉ lệ rắn/lỏng

2.4. TỔNG HỢP NANO OXIT SẮT TỪ

Toàn bộ quy trình thực nghiệm nghiên cứu tổng hợp hạt

nano oxit sắt từ bằng tác nhân khử dịch chiết nước lá bàng được thể

hiện ở Hình 2.2.

6

Hình 2.2. Hình ảnh tổng hợp nano oxit sắt từ

2.5. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HẠT NANO OXIT SẮT

TỪ

2.5.1. Phổ hấp thụ phân tử (UV-VIS)

2.5.2. Phƣơng pháp đo hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

2.5.3. Phƣơng pháp đo hiển vi điện tử quét (SEM)

2.5.4. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD)

NH4OH

đén pH = 6

7

2.5.5. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourie (FTIR)

2.6. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XÚC TÁC QUANG PHÂN

HỦY HỢP CHẤT HỮU CƠ CỦA NANO OXIT SẮT TỪ

2.6.1. Quang phân hủy Xanh metylen

2.6.2. Quang phân hủy Alizarin red

CHƢƠNG 3

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ HÓA LÍ

3.1.1. Xác định độ ẩm

Độ ẩm trung bình của mẫu lá bàng tươi là 68,02 %. Với độ

ẩm này, chúng tôi không bảo quản nguyên liệu trong thời gian dài

mà thu hái và xử lý mẫu trong từng buổi thí nghiệm.

3.1.2. Xác định hàm lƣợng tro

Hàm lượng tro trung bình trong mẫu lá bàng tương đối thấp,

chiếm 2,87% về khối lượng.

3.2. KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN

QUÁ TRÌNH CHIẾT LÁ BÀNG

3.2.1. Khảo sát thời gian chiết

Thời gian chiết thay đổi trong khoảng từ 5 đến 25 phút, màu sắc

của dịch chiết biến đổi từ màu vàng nhạt sang màu vàng nâu đậm

(Hình 3.1). Tuy nhiên sự khác biệt về màu giữa các dung dịch không

quá nhiều. Từ phút thứ 15 đến phút thứ 25 màu sắc hầu như không

thay đổi.

8

Hình 3.1. Sự biến đổi màu sắc của dung dịch theo thời gian chiết

Đồ thị phụ thuộc của lượng chất khử (tính theo số mol KMnO4)

trong 1 lít dịch chiết nước lá bàng vào thời gian chiết được thể hiện

trên Hình 3.2.

Hình 3.2. Đồ thị phụ thuộc của hàm lượng chất khử trong 1 L dịch

chiết nước lá bàng tính theo số mol KMnO4 vào thời gian chiết

Kết quả thực nghiệm cho thấy tăng thời gian chiết từ 5 phút đến

25 phút lượng chất khử tăng dần, đạt hàm lượng cao nhất sau 15

phút, sau đó lượng chất khử hầu như không tăng thêm khi tăng thời

gian chiết. Điều này hoàn toàn phù hợp với sự thay đổi màu sắc của

dịch chiết theo thời gian chiết (Hình 3.1)

Vì vậy, chúng tôi chọn thời gian chiết lá bàng thích hợp là 15

phút.

0.37

0.38

0.39

0 5 10 15 20 25 30

n

(KMnO4

)

t, min

9

3.2.2. Khảo sát tỉ lệ rắn/lỏng

Đồ thị phụ thuộc của lượng chất khử (tính theo số mol KMnO4)

vào khối lượng lá bàng được thể hiện trên Hình 3.4.

Hình 3.4. Đồ thị phụ thuộc của hàm lượng chất khử trong 1 L dịch

chiết nước lá bàng tính theo số mol KMnO4 vào khối lượng lá bàng /

200 mL nước

Theo Hình 3.4, khi tăng tỉ lệ rắn / lỏng từ 5 g / 200 mL đến

30 g / 200 mL nước hàm lượng chất khử trong dịch chiết tăng, nhưng

không nhiều. Điều đó chứng tỏ các chất khử có độ tan kém trong môi

trường nước, trong quá trình chiết chúng nhanh chóng đạt đến trạng

thái bão hòa và không thể tiếp tục tan thêm. Hàm lượng chất khử cao

nhất đạt được ở tỉ lệ 25 g / 200 mL.

Vì vậy, tôi chọn thời gian tỉ lệ rắn / lỏng thích hợp là 25 g / 200

mL.

3.3. TỔNG HỢP NANO OXIT SẮT TỪ

Sau khi tìm được điều kiện thích hợp cho quá trình chiết nước lá

bàng, chúng tôi tiến hành tổng hợp nano oxit sắt từ bằng cách nhỏ từ

từ dung dịch Fe(NO3)3 0,1 M vào dịch chiết có môi trường gần trung

tính (pH = 6). Các chất khử có trong dịch chiết sẽ khử một phần

Fe(III) thành Fe(II) để tạo thành Fe3O4.

0.385

0.395

0 10 20 30 40

n

(KMnO4

)

m, g

10

Sơ đồ cơ chế của phản ứng trên được đề xuất như sau:

Fe3+ + H2O → Fe(OH)3 + 3H+

3Fe(OH)3 + Khử → Fe3O4 + Oxh + H2O

Việc khống chế tỉ lệ Fe3+ và chất khử có trong dịch chiết đóng

vai trò quyết định trong việc tạo Fe3O4 hay Fe(III) sẽ bị khử hoàn

toàn về thành Fe(II). Do vậy cần khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ thể tích

dịch chiết lá bàng đến khả năng tạo nano oxit sắt từ và xác định thể

tích dịch chiết lá bàng thích hợp. Các thí nghiệm được tiến hành với

các thông số:

- Thời gian tạo nano oxit sắt từ: 15 phút

- Nhiệt độ tạo nano oxit sắt từ: nhiệt độ phòng

- Nồng độ dung dịch Fe(NO3)3: 0,1 M

- Thể tích dung dịch Fe(NO3)3: 25 mL

- Môi trường pH = 6

- Thể tích dịch chiết biến thiên: V = 13 mL, 15 mL, 17 mL, 19

mL, 21 mL

Kết quả khảo sát từ tính bằng nam châm vĩnh cửu cho thấy ở

thể tích dịch chiết 13 mL và 21 mL hoàn toàn không tạo ra hạt có từ

tính, còn ở thể tích dịch chiết 15 mL, 17 mL, 19 mL có hình thành

hạt có từ tính. Ở tỉ lệ dịch chiết : dung dịch Fe(NO3)3 là 17 : 25 lượng

chất bị nam châm hút nhiều nhất.

Do vậy, chúng tôi chọn tỉ lệ dịch chiết : dung dịch Fe(NO3)3

là 17 mL : 25mL để tạo nano Fe3O4 và tiến hành tổng hợp nano

Fe3O4.

Kết quả khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ thể tích dịch chiết lá bàng và

dung dịch Fe(NO3)3 thể hiện trên Hình 3.5.